浙江省刺网渔船尾气排放调查研究

万会发，张海波

(浙江省海洋水产研究所，浙江 舟山 316021)

浙江省刺网渔船尾气排放调查研究

万会发，张海波

(浙江省海洋水产研究所，浙江 舟山 316021)

文章介绍了浙江省国内海洋捕捞渔船现状，阐述了尾气产生机理，对刺网渔船尾气排放进行实船检测，并对测量数据进行了分析对比，提出了下一步改进的对策及建议。

柴油机；尾气排放；油品质量

海洋捕捞业是海洋经济的重要组成部分，一直以来，海洋捕捞业在保障国民生活需求、增加渔民收入、维护国家海洋权益等方面发挥着重要的作用。浙江省作为海洋渔业捕捞大省，拥有国内海洋捕捞渔船约2万余艘，目前普遍存在渔船船龄长、船型落后、船体及设备老化、尾气排放量大、环境污染严重等问题。严重地制约了海洋捕捞业健康持续的发展和渔区社会的和谐稳定。近年来随着民众环保意识的增强，控制柴油机尾气排放的呼声越来越强烈，因此，非常有必要对我国渔船柴油机使用情况及尾气排放情况进行综合调研，以期为下一步的渔船升级改造及柴油机尾气排放控制提供理论依据及数据支持。

1 浙江省国内海洋捕捞渔船现状

1.1 浙江省国内海洋捕捞渔船船型的基本情况

1)渔船数量、材质及船龄情况。全省目前约有国内海洋捕捞渔船2万余艘，如按船体材质进行区分，其中钢质船约占62.90%，总千瓦数312万kW；木质船约占36.95%，总千瓦数12.4万kW；仅极少数为玻璃钢和聚乙烯材质。如按船龄进行区分，其中船龄在10年以内的渔船约占23.07%；船龄在10～20年的约占52.24%。如按船长进行区分，其中小型渔船(L<12 m)约占28%，总千瓦数7.3万kW；中型渔船(12 m≤L<24 m)约占9.5%，总千瓦数10.2万kW；大型渔船(L>24 m)约占62.5%，总千瓦数307万kW。

2)作业类型和船型情况。全省渔船船型基本涵盖了《农业部渔业捕捞许可管理规定》中九大作业类型中的七大类，即：拖网(含单拖、双拖、桁拖等)、围网、张网、刺网(含流刺网和定置刺网)、钓具、笼壶和杂渔具(含敷网、抄网等)，相比其他省，如辽宁省基本为流刺网、定置网和拖网，山东省基本为拖网，江苏省基本为拖网、定置网、流刺网，我省的作业类型和作业方式种类多，船型技术参数也较其他省情况复杂，本文主要以刺网船为例进行探讨研究。

1.2 渔船柴油机的使用工况统计

1)以浙定渔12226刺网渔船为例，该船采用南通柴油机厂生产的J6135CzAX主机，额定功率116 kW，额定转速1 500 r/min，在实际作业中，渔船实际工作时间如表1。

(1)捕鱼周期：一般以20 d为一个周期，日平均作业、航行时间10 h左右。一个捕鱼周期内柴油机运行时间约为200 h。

(2)全年实际作业天数在230 d左右，估算全年运行时间为2 300 h。

(3)从油耗上看，柴油机燃油消耗率 按200 g/(kW·h)计算，全年耗油53.4 t。

表1 浙定渔12226渔船每月实际作业天数 d

2)以浙普渔42080刺网渔船为例，该船采用潍坊柴油机厂生产的CW6200ZC-21主机，额定功率396 kW，额定转速750 r/min，在实际作业中，渔船实际工作时间如表2。

表2 浙定渔42080渔船实际作业天数 d

(1)捕鱼周期：一般以10 d为一个周期，日平均作业、航行时间10 h左右。一个捕鱼周期内柴油机运行时间约为100 h；

(2)全年实际作业天数在100 d左右，估算全年运行时间为2 000 h。

(3)从油耗上看，柴油机燃油消耗率按198 g/(kW·h)计算，全年耗油156.82 t。

2 柴油机尾气生成机理

柴油机的排放主要是固体颗粒(PM)和NOx，含有较少的碳氢化合物(HC)和CO。

2.1 柴油机 PM生成机理

由于柴油机的工作原理是喷油压燃,燃油停留在燃烧室中的时间比汽油短很多,因而受壁面冷激效应和狭隙效应，油膜、沉积物吸附作用很小,在大部分工况下,都是稀薄燃烧,且换气过程中不存在燃油的损失。这是柴油机PM排放较低的原因。

当柴油机怠速或小负荷运转时,来自柴油喷注的外缘混合过渡造成的过稀混合气以及在压缩过程中的活塞顶部头道环上方的间隙中的混合气,都是造成柴油机未燃 PM排放物的主要来源。

2.2 柴油机 CO生成机理

CO的产生主要是由于燃油在汽缸中燃烧不充分所致,因局部缺氧而产生的燃烧反应中间产物。过量的空气系数和燃烧过程对燃烧后期的CO氧化反应都有很大的影响。CO的浓度在柴油机中一般都很低, 只有在接近冒烟极限时,才会急剧增加。而在小负荷时,缸内燃烧温度低而且氧化反应不彻底,会造成CO排放有所增加,对于柴油机,虽然理论上总体过量空气系数始终大于1,可以完全燃烧。但由于柴油和空气不可能完全混合均匀, 缸内总有局部缺氧和低温的地方, 以及反应物在燃烧区停留时间较短, 不足以完全燃烧, 柴油机暖机时及怠速时CO也较高,也是由于上述原因造成。

2.3 柴油机NOx生成机理

人们已经对NOx的生成机理进行了大量的研究,但尚未达成共识,比较容易接受的是策尔多维奇机理。该机理认为: 柴油机排放中的NO并非来自燃油的燃烧,而是来自氮气与氧气的反应, 它是在氧气过剩的情况下由于燃烧室的持续高温而形成的,在膨胀和排气时有少量的分解,排到大气后遇氧形成 NOx和其它氮氧化物。柴油机燃烧过程中喷射各区均可以生成 NO,其生成浓度与局部温度、局部氮原子和氧原子的浓度、燃烧产物的冷却速度和滞留时间(即高温下所占燃烧循环的时间量)等因素有关,从理论上讲,柴油机 NOx排放的形成是无法避免的, 但通过控制燃烧过程的最高温度和高氧空气在高温中的滞留时间等可以加以限制。

3 尾气排放的实船检测

国际海事组织(IMO)2010年统计数据显示，船舶废气年排放约占世界排放总量的30%，年排放约占世界排放总量的4%，年排放约占世界排放总量的2.7%。根据国际海洋公约组织提供的资料，渔船动力排放造成的大气污染占总排放的7%，在渔船集中的港口等局部地区甚至高达30%～40%。

渔船柴油机燃烧所排放的废气中含有大量有害气体，主要包括SOx(SO2约占95%，SO3约占5%)、NOx(NO约占95%，NO2约占5%)、CO2、CO、CH4等气体以及颗粒物PM等，这些气体对人体和大气造成了严重危害：SO2刺激人体呼吸道，影响呼吸功能，还可能形成酸雨腐蚀建筑，危害植物；NOx在一定条件下将诱发光化学烟雾，严重污染大气；CO2、CH4等则会加剧温室效应。可见，渔船有害气体排放会对大气造成严重污染。为了了解我省渔船的尾气排放以及油品水平，我们抽取舟山地区的18艘刺网渔船进行了摸底，由于篇幅限制，本文仅以浙定渔12226及浙普渔42080两艘刺网渔船测量数据为例进行计算。由于仪器默认测量单位PPM和国标中要求的mg/m3不一致，因此需按照以下公式进行换算：

(1)

式中：B为标准状态下的气体摩尔体积22.4 L/mol；T为 烟气温度(选Flue temp.)，℃;273为标准状态的0 ℃对应的热力学温度；CP为现场测得NO2的浓度，mg/m3；M为NO2的摩尔质量46 g/mol；C为NO2的浓度，mg/m3。

测定结果如表3。

表3 各工作状态下渔船尾气排放状况

3.1 排放数据的处理以及和排放法规的比对

由于现场测试条件限制，无法按照柴油机推进曲线进行加载，实际柴油机空载时在怠速、70%转速、100%转速工况时的实际功率差别不大，这点从油耗量(kg/h)就可以看出。因此按照推进曲线公式：

(2)

式中：P0为额定功率；P1为实际功率；n0为额定转速；n1为实际转速。

计算时，得到的功率是不准确的。为了能够正确反映出柴油机的实际排放水平，我们采用以下公式对柴油机的实际输出功率进行拟合：

(3)

式中：P1为实际功率；P2为拟合后的功率，以此拟合的数据和柴油机实际排放水平相差不大。

按照国际海事组织(IMO)MARPOL 73/78公约的附则VI《防止船舶造成大气污染规则》要求，2005年5月19日以后国际航行的船舶、海船、远洋船舶等需达到第I阶段NOx排放限值：当130 r/min≤n<2 000 r/min，n为额定转速；NOx排放需小于45n-0.2g/(kW·h)。

如果按照IMO公约I阶段对NOx的要求，将进行功率拟合后的功率带入算式得到表4，在18条渔船、54个测量工况中有20个是不达标的，不合格率为37%。

表4 各工作状态下渔船尾气排放检测结果

3.2 数据分析

按照《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法(中国第一、二阶段)》试验程序：对于按推进特性运行的船主机，应按E3循环进行测试。E3循环中4个测试点必须全部达标。

本次调研过程中，为不影响渔民正常作业，选择在休渔期进行排放调研，但休渔期渔船在码头中密集排列，无法按照推进曲线对柴油机进行测试，只能检测空载(或近似空载)状态下的排放情况，然后再由测得的数据对功率进行拟合计算得出不同转速条件下的排放值。

从实际检测结果看，主要问题如下。

1)如果按照IMO公约I阶段对NOx的要求，在18般渔船、54个测量工况中有20个不达标的，不合格率为37%。可见目前国内渔船排放情况较为严峻，排放不达标情况比较普遍。

2)按照GB 252普通柴油硫含量的要求，18条船中只有3艘船达标，有的甚至超标10倍。

由于潍柴等国内主要柴油机出厂时产品均可达到CCS对排放的要求，对于排放不达标的原因，根据调研实际情况，结合厂方在柴油机生产、试车的经验，可以归结为以下5个原因。

1)柴油机积碳严重。随着柴油机使用年限增加，柴油机进排气门积碳增多，造成进排气门开关不严密，造成燃烧不良，从而影响尾气排放质量；活塞顶积碳过多会造成爆压超标，也会增加NOx排放量。

2)喷油器雾化不良。由于油品质量较差，喷油器容易受到腐蚀造成堵塞，从而使油束无法完全雾化，燃烧不良，造成排放超标。

3)供油提前角走位。经过长期使用，有关配合件发生磨损造成相对位置的变化，油泵供油提前角容易走位从而造成燃烧状况发生变化。如果供油提前角过大容易造成柴油早燃，导致燃烧室压力和温度升高，不利于燃油与空气的混合和燃烧，从而造成NOx排放物增加。供油提前角过小会造成燃烧滞后并延伸在膨胀过程中进行，柴油机燃烧效率下降，造成PM值增加。

4)进气负压、排气背压超标。由于机舱环境较差，如果用户不及时清洁空滤器容易造成进气量不足影响燃烧质量。另外如果排气管设计不合理，管径小、弯管多就会造成排气背压超标，增大柴油机烟度，也会影响燃烧质量。

5)由于渔船工况比较复杂，渔民为节省成本，对柴油机的保养不够及时也会造成排放严重。

4 建议及对策

4.1 升级改造柴油机

柴油机机内净化就是对其燃烧过程进行优化,使发动机达到混合均匀，燃烧充分，工作柔和，启动可靠，排放较少的要求。采取机内净化是目前最好且最有效的方法。其原理是通过改进柴油机结构参数或者增附加装置来改变燃烧性能, 进而达到减少 NOx排放的目的。

1)进气系统的优化。对进气系统进行优化设计，主要目的是提高充气效率的同时,合理组织进气涡流,以利于气体能够充分的混合,提高燃烧速率,并尽量减少 NOx和 PM的生成。

2)进气涡流的优化。提高涡流比能使燃烧加速并且完全,但其结果能导致缸内最高燃烧压力与温度的升高,从而使NOx的排放明显增加；若减少进气涡流的强度虽能减少NOx的排放,但又势必会牺牲柴油机的动力性和经济性。因此,可采用可变涡流进气道技术来使涡流比在 0.2～2.5范围内变化, 可以很好的兼顾柴油机在整个工况范围内各个方面的性能,但采用可变涡流进气道技术存在很多技术难题, 比如结构过于复杂，以至于造成成本较高的问题。

3)提高喷油压力和減小喷孔直径。提高喷油压力和减小喷孔直径可明显地降低PM的排放。为了避免高压喷射导致的NOx的增加,就需要要适当降低空气涡流运动,提高压缩比和可变定时燃油喷射来与其相适应。高压喷油系统需要和燃烧室能够很好的配合, 以避免造成过多燃油喷射到汽缸冷表面上,减少PM中有机可溶物的排放。同时还可以减少喷嘴圧力室容积或采用无压力喷油嘴,也可以使PM排放大大减少。通过对燃油喷射率的优化,可降低PM和NOx的排放。

4)改进燃烧系统。改进燃烧系统主要是改进燃烧室的形状、供油系统、进气流动的匹配程度。应在保证发动机整个工况范围内,燃油在燃烧室中能够均匀分布,有充分的气体流动,有良好的节油规律。采用电控制喷油泵、电控泵喷嘴、电子调速器、可变涡流系统、多气门化和中央配置喷油器等措施,即可以改善柴油机性能,又能够降低柴油机尾气排放物, 尤其是降低颗粒 PM物质的排放最为明显。

5)增压中冷。柴油机在采用进气增压技术后,由于压缩温度升高, NOx的排量也必然增加, 由于增压柴油机在采用中冷技术以后,增压空气在进入汽缸以前被冷却,在一定程度上可以降低NOx的排放,废气涡轮增压可以提高汽缸内平均有效压力、过量空气系数和平衡整个循坏的平均温度,能够使柴油机颗粒物的排放量降低50%以上,并可以减少CO和HC的排放量,采用中冷技术, NO的排放量能够降低60%～70%左右。目前,柴油机增压中冷技术在中型柴油机和大型柴油机上应用越来越广泛。

4.2 加强监管

目前东部地区渔船使用的燃油主要分为GB 252中规定的普通柴油和GB 17411中规定的船用燃料油两大类。不同于车用普通柴油(GB 19147，主要用于压燃式发动机汽车)，普通柴油主要用于拖拉机、内燃机车、工程机械、船舶和发电机组等压燃式发动机，在2013年7月1日后车用柴油和普通柴油在硫含量指标上已要求相同。目前国内柴油机厂生产的中高速机均要求使用普通柴油，但由于价格因素，渔民为了提高生产效益，经常使用船用馏分型燃料油作为主要燃料。

燃油对发动机影响较大，如果使用的燃油硫含量过高，易导致发动机机油过早老化，碱值消耗过快从而腐蚀柴油机各零部件。燃油是近海渔业生产的主要费用支出，在利益驱动下，渔船使用的燃油复杂，既有中国石油、中国石化、中海油的免税油，也有小炼厂的燃油，主要为轻柴油MGO，基本不用重质渣油，一般情况下非标燃油硫含量高。所以必须加强监管，严把柴油质量关，杜绝不合格燃油流入到市场中。

4.3 建立柴油机定期报废制度

经过长期使用的柴油机均不同程度的存在活塞环和缸套的磨损，尤其是长期低转速运行的拖网渔船由于润滑不良，柴油机磨损尤为严重，这就容易造成柴油机机油消耗率增加，大量机油进入燃烧室参与燃烧。由于机油大量附着在缸套和活塞表面，燃烧不良产生大量PM颗粒，而且随着柴油机使用年限增加，柴油机能耗也会相应增加，所以不论从节能还是保护环境的角度都应该建立柴油机的定期报废制度。

In this paper,current situation of domestic marine fishing boats is introduced and the mechanism of exhaust is expounded.Some countermeasures and suggestions are put forward according to ship detection of gillnetter exhaust emissions and analysis of measurement data.

diesel engine;exhaust emissions;quality of oil

U672.2

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.06.012

万会发(1985-)，男，山东泰安人，工程师，大学本科，研究方向为渔船节能减排。

2017-06-22